航空发动机陶瓷基复合材料无损表征技术研究进展

随着陶瓷基复合材料在先进航空发动机热端部件中的推广应用,对其在工艺研发、制备加工、试验考核以及使用服役等阶段形成的缺陷/损伤进行高效准确的无损表征就变得尤为重要。由于陶瓷基复合材料复杂的制备成型工艺及多相复合引起的高度非均质和各向异性,导致传统基于整体均质化假设的无损检测技术面临诸多挑战。本文结合陶瓷基复合材料在航空发动机领域的应用情况,分析了其在制备、加工及服役等阶段的典型缺陷/损伤类型及特征,重点回顾了近年来陶瓷基复合材料无损表征技术的研究进展及应用情况,总结了现有无损表征技术面临的主要挑战,并对未来的发展趋势进行了展望。     

放电等离子烧结Al2O3-ZrO2纳米复相陶瓷及其力学性能

采用醇 水溶液加热法制备两相分散良好的纳米复合粉体,通过放电等离子超快速烧结制备Al2O3 ZrO2纳米复相陶瓷。研究了纳米第二相ZrO2对复相陶瓷致密化、烧结行为、力学性能以及微观结构的影响。从烧结激活能的观点解释了纳米第二相阻止基体Al2O3致密化的原因。放电等离子烧结得到了典型的晶间/晶内混合型纳米陶瓷,其弯曲强度高达1070MPa,断裂韧性达10.42MPa·m1/2。微观组织分析表明其中大量的内晶纳米颗粒阻止位错运动,使得基体氧化铝晶粒内形成复杂的位错组态,其主要特点为穿晶断裂和多重界面。     

航空发动机热结构部件的RMI工艺研究进展

连续碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC)具有低密度、高损伤容限、优异的高温力学和抗氧化性能等一系列优点,作为航空发动机热结构部件具有广阔的应用前景。复合材料的性能与制备工艺密切相关,相比于化学气相渗透(CVI)和先驱体浸渍裂解(PIP)工艺,反应熔体渗透(RMI)工艺具有周期短、成本低、制备的复合材料致密度高等特点,成为航空发动机热结构部件用SiC/SiC复合材料的研究热点。本文阐述了RMI工艺过程中碳硅反应基本原理,介绍了国内外RMI工艺研究现状,总结了该工艺目前存在的问题,并对未来工艺发展方向做出展望。     

陶瓷基多层复合频率选择表面材料的研究

以多孔氮化物陶瓷材料为频率选择表面(FSS)多层复合透波材料的介质支撑体,以耐高温的导电金属铂采用丝网印刷工艺制备FSS,通过多层FSS的复合制备了宽频透波材料,对其微观结构和透波性能进行了测试分析。结果表明:多层FSS层间结构重叠性好,周期一致;FSS材料组成稳定,形成具有良好导电性能的致密结构层;多层陶瓷/金属FSS在9.5~18 GHz具有95%以上的透过率。     

原位自生TiB2/Al基复合材料的制备及性能

在合金的基础上进一步引入纳米陶瓷颗粒,从而制备出颗粒增强金属基复合材料,是提高金属材料综合性能的重要手段。本文从原位自生TiB_2/Al基复合材料的制备方法、不同加工工艺下复合材料的微观组织、复合材料的力学性能三个方面总结了其研究现状,同时展望了原位自生TiB_2/Al基复合材料的发展方向。通过原位自生方法制备出的TiB_2颗粒增强铝基复合材料具有颗粒尺寸小、与基体界面结合良好等优点。通过合金化设计、热加工塑性变形、快速凝固工艺可进一步改善纳米陶瓷颗粒的分散性。相对于外加法制备的金属基复合材料,原位自生TiB_2/Al基复合材料具有更加优异的力学性能,如弹性模量、强度、抗疲劳性能、抗蠕变性能等。     

注射成形工艺结合先驱体转化法制备碳化硅陶瓷

选择一种石蜡基多聚物粘结剂体系,在固含量为52vol%及最佳注射参数下,注射出良好的碳化硅陶瓷复杂件坯体,以二步法溶剂脱脂和热脱脂为脱脂工艺,得到的热脱脂坯通过聚碳硅烷先驱体溶液在真空下浸渍,并在1200℃氮气氛下裂解,使生坯密度提高到1.75g/cm3以上,再将烧结坯体于2100℃,Ar气氛下,保温1h进行固相烧结,得到的碳化硅陶瓷复杂件密度为3.11g/cm3,致密度为97%.     

基于光固化的羟基磷灰石3D打印工艺研究

陶瓷材料因其强度高、密度低、耐高温及耐腐蚀等特点在航空航天领域具有广阔的应用前景。针对传统成型方式的局限性,对羟基磷灰石陶瓷材料的光固化3D打印工艺进行了研究。使用微米级羟基磷灰石粉末和光敏树脂,配制出可供3D打印的羟基磷灰石陶瓷浆料,成型出羟基磷灰石陶瓷坯体。根据TG–DSC热分析法,确定了陶瓷坯体的脱脂工艺参数,烧结出羟基磷灰石陶瓷样件。使用SEM扫面电镜观察样件表面形貌,通过X射线衍射分析物相组成,并通过阿基米德排水法测得其致密度,使用万能材料试验仪测量样件的抗弯强度。试验结果证明,利用光固化3D打印技术可以成型出致密度为94.9%,抗弯强度约为41.3MPa的羟基磷灰石陶瓷样件。     

3D打印用硅基陶瓷前驱体研究进展北大核心CSCD

聚合物前驱体转化法可使用聚合物的成型加工工艺实现陶瓷材料的加工制备,在高性能陶瓷和复合材料制备方面显示出独特的优势。3D打印技术在陶瓷前驱体成型中的应用为制备复杂结构陶瓷制件提供了全新的可能。本文从3D打印硅基陶瓷前驱体树脂体系、打印技术及其应用等方面,系统总结了近年来3D打印制备SiCO、SiCN、SiC及含B、Zr等元素硅基陶瓷材料前驱体的研究进展,并进一步指出了3D打印陶瓷前驱体面临的挑战与研究方向。     

航空发动机叶片用陶瓷型芯的光固化增材制造研究现状

随着对高推重比和高效率航空发动机日益增长的需求,发动机叶片正朝着复杂空心结构的方向发展,而这对高性能复杂结构的陶瓷型芯提出了更高的要求.与此同时,基于光固化原理的增材制造技术可以实现无模具条件下的高精度、快速以及综合性能优异的陶瓷型芯制备.然而,目前基于光固化增材制造的陶瓷型芯制备工艺依旧面临控制尺寸精度、优化脱脂烧结...     

氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展

氮化物基陶瓷材料具有高强度、高模量、耐高温、抗热震和透波等优异的综合性能,是高温透波构件的主要候选材料,目前应用报道较少,制备工艺和性能有待进一步完善和提高。本文综述了氮化物陶瓷、氮化物复相陶瓷及氮化物陶瓷基复合材料的研究现状,发现多孔氮化硅陶瓷、BN-Si3N4复相陶瓷和BNw/Si3N4复合材料的综合性能较为优异,可达到介电常数低于5,介电损耗低于0.01,室温弯曲强度高于200 MPa的水平。本文分析了氮化物基陶瓷高温透波材料研究的现存问题,主要是力学性能与介电性能难以协同提高;最后对高温透波材料体系的选择及其制备工艺的未来发展方向进行了展望。     

BAS粘接碳化硅材料的性能

采用原位生成钡长石为烧结助剂,研究BAS/SiC复相陶瓷的低温无压液相烧结工艺,制备高致密度的陶瓷材料。通过XRD、SEM及力学试验机等研究烧结温度、BAS含量对复相碳化硅陶瓷的致密化、组织结构及力学性能的影响。结果表明:在1800℃温度下原位生成了BAS相,运用无压液相烧结法制备出了密度达到3.2g/cm3的BAS/SiC复相陶瓷;陶瓷中BAS以六方结构析出、SiC颗粒均匀分布;烧结温度不宜超过1800℃,温度过高将促使碳化硅颗粒长大,损伤陶瓷材料抗弯强度和断裂韧度;当复相BAS/SiC陶瓷中BAS质量分数为30%时,弯曲强度达到413MPa,模量达到210GPa,断裂韧度达到5.03MPa.m1/2。     

浆料固相含量对多孔氮化硅陶瓷结构和性能的影响

以琼脂糖作为凝胶物质,采用凝胶注模工艺制备了多孔氮化硅陶瓷,通过改变浆料的固相含量,制备了不同性能的多孔氮化硅陶瓷.结果表明,随着浆料的固相含量从35vol％增加到45vol％,材料的气孔率从57.6％减小至40.8％,弯曲强度从96 MPa增加到178 MPa;大量的长棒状β-Si3N4晶粒从孔壁上生长出来,将气孔填充,其生长方式为溶解-沉淀-析出与气-液-固两种生长机制协同作用的结果.长棒状的氮化硅晶须和恰当的界面结合强度是多孔氮化硅陶瓷具有较高强度的主要原因.     

扫描速度对激光定向能量沉积Al2O3–ZrO2梯度陶瓷微观组织及力学性能的影响

功能梯度陶瓷作为能够兼顾结构和功能的新型陶瓷材料,其材料组成和性能可以根据需要呈现连续的梯度变化,因此在航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。激光定向能量沉积技术克服了传统陶瓷制备方法在烧结变形及过渡界面明显的局限性,能够实现功能梯度陶瓷材料性能的区域可控制造。然而采用定工艺参数成形时,功能梯度陶瓷不同组分的性能无法同时达到最佳,因此就扫描速度对Al₂O₃–ZrO₂梯度陶瓷中各比例复合陶瓷材料的影响规律展开了研究。在确定各比例复合陶瓷优选扫描速度的基础上,实现了Al₂O₃–ZrO₂梯度陶瓷的变参数优化成形。结果表明,低速扫描条件下(200 mm/min、300 mm/min),α-Al₂O₃柱状晶定向生长倾向明显,但高ZrO₂含量(质量分数)复合陶瓷材料宏观裂纹明显。扫描速度逐渐提高有助于晶粒尺寸减小,但过高的扫描速度(400 mm/min、500 mm/min)导致样件内部ZrO     

超高温氧化物陶瓷激光增材制造及凝固缺陷控制研究进展

超高温氧化物陶瓷具有优异的高温强度、高温结构稳定性、抗氧化和耐腐蚀性能,有望成为极端高温氧化环境下长期服役的新型高温结构材料,在航空航天领域具有广阔的应用前景。以激光选区熔化和激光近净成形为代表的激光增材制造技术具有高效快速、柔性制造、近净成形等特点,近些年来逐渐应用于超高温氧化物陶瓷的制备并成为该领域的研究热点。本文概述了激光选区熔化技术和激光近净成形技术的原理和特点,从工艺优化、高温预热、超声振动辅助和掺杂4个方面详细阐述了激光增材制造超高温氧化物陶瓷凝固缺陷控制的研究进展,并在文末展望了本领域未来的发展趋势和研究重点。     

激光重熔对喷射电沉积纳米结构镍涂层性能影响研究

采用喷射电沉积方法在45钢基体表面制备了纳米结构镍涂层,研究了激光重熔工艺对涂层性能的影响。用扫描电镜和X射线衍射仪对涂层表面形貌和晶粒尺寸进行分析,并对涂层做表面显微硬度测试和耐腐蚀性试验。结果表明:在优化的工艺参数下,喷射电沉积制备的镍涂层表面比较平整、结合较致密,由平均尺寸为13.7 nm的纳米晶颗粒组成,但涂层中仍存在一些孔隙及其它缺陷;经过激光重熔后,熔融区内的晶粒尺寸明显减小,涂层致密化程度有所提高并使涂层与基体由机械结合变为冶金结合,因此涂层的表面显微硬度和耐腐蚀性能得到明显的提高。     

工艺条件对爆炸喷涂Al2O3陶瓷涂层组织与性能的影响

研究了工艺条件对爆炸喷涂Al2O3陶瓷涂层的组织与性能的影响.结果表明大热焓制度下制备的涂层组织致密均匀,具有较好的结合力、高的显微硬度及低的残余应力,是良好的耐磨耐热陶瓷涂层.经工艺优化选择出爆炸喷涂工艺的最佳气体流量参数.     

工艺条件对爆炸喷涂Al2O3陶瓷涂层组织与性能的影响

研究了工艺条件对爆炸喷涂Al2O3陶瓷涂层的组成与性能的影响。结果表明大热焓制度下制备的涂层组织致密均匀，具有较好的结合力、高的显微硬度及低的残余应力，是良好的耐磨耐热陶瓷涂层。经工艺优化选择出爆炸喷涂工艺的最佳气体流量参数。     

三维打印成型工艺制备陶瓷基材料的新进展

采用三维打印成型工艺和反应熔体渗透工艺相结合制备复合材料,可在较大范围内设计材料成分和微结构,并可近尺寸制备复杂形状的部件.该方法为航空领域热结构部件的设计和制造提供了新途径.     

增材制造技术的研究应用进展:由3D到4D北大核心CSCD

增材制造技术是一种逐点、逐线、逐面增加材料而形成三维复杂结构零件的近净成形工艺,3D打印技术日渐成熟,其所制备出的产品组织结构致密、性能稳定。近年来,学者们将增材制造技术应用于智能材料的打印,实现该技术由空间维度到时间维度的扩展。本文重点介绍了3D打印与4D打印的研究现状与发展前景,以期为从事该领域的工作人员提供借鉴。     

先驱体转化法制备致密SiC／Si3N4复相陶瓷异形件—烧结工艺研究

研究了以陶瓷先驱体为粘合剂成型并转化制备致密ＳｉＣ／Ｓｉ３Ｎ４复相陶瓷异形件的烧结工艺及其对烧结体的结构和性能的影响。